第十五章 预应力混凝土结构的一般知识

1.预应力混凝土的基本概念；2.预应力混凝土分类；施加预应力方法；3.预应力混凝土材料；张拉控制应力；4.预应力损失；5.预应力混凝土构件的一般构造要求。

第十五章预应力混凝土结构的一般知识本章主要内容

1.为什么使用预应力混凝土由于混凝土的抗拉性能很差，使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题：一是在使用荷载作用下，钢筋混凝土受拉、受弯等构件通常是带裂缝工作的。二是从保证结构耐久性出发，必须限制裂缝宽度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。

第一节预应力钢筋混凝土的基本概念

理论上讲，提高材料强度可以提高构件的承载力，从而达到节省材料和减轻构件自重的目的。但在普通钢筋混凝土构件中，提高钢筋强度却难以收到预期的效果。这是因为，对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言，承载力可能已不是控制条件，起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度。当钢筋应力达到500~1000N/mm2时，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也极其有限。2.预应力混凝土的概念在结构构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力，使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。3.预应力混凝土的特点1)避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现；2)充分利用高强度钢筋及高强度混凝土；3）提高构件的抗裂性能和刚度。

3.预应力混凝土的分类

1.根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同分类（1）全预应力混凝土在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件。属严格要求不出现裂缝的构件。（2）部份预应力混凝土允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件。属允许出现裂缝的构件。

2.按施工方法分为：先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土；3.按钢筋和混凝土之间的连接情况分为：有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。

一、施加预应力的方法按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类。

1.先张法定义：先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法。优点：生产工艺简单，工序少，效率高，质量易于保证，同时由于省去了锚具和减少了预埋件，构件成本较低。适用范围：主要用于工厂化大量生产，尤其适宜用于长线法生产中、小型构件。

第二节预应力钢筋混凝土的施工工艺

主要工艺过程是：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并进行养护→切断钢筋。2.后张法定义：先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法。优点：预应力钢筋直接在构件上张拉，不需要张拉台座，所以后张法构件既可以在预制厂生产，也可在施工现场生产。大型构件在现场生产可以避免长途搬运，故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法。缺点：生产周期较长；需要利用工作锚锚固钢筋，钢材消耗较多，成本较高；工序多，操作较复杂，造价一般高于先张法。主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆。1、张拉控制应力

1）定义在张拉预应力钢筋时所达到的规定应力,用σcon表示。

2）张拉控制应力的确定原则张拉控制应力取得高些，不但可以提高构件的抗裂性能和减小挠度，而且可以节约钢材。因此，σcon值适当取高一些是有利的。但σcon值不能过高。第三节预应力损失3）张拉控制应力的数值注：下列情况，表中数值可提高0.05fptk或0.05；①要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；②要求部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差因素产生的预应力损失。消除应力钢丝、钢绞线：中强度预应力钢丝：预应力螺纹钢筋：式中：

—预应力筋极限强度标准值；

—预应力螺纹钢筋屈服强度标准值。2、预应力损失

预应力损失：由于张拉工艺和材料特性等原因，从张拉钢筋开始直到构件使用的整个过程中，经张拉所建立起来的钢筋预应力将逐渐降低，这种现象称为预应力损失。

1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失产生原因：由于经过张拉的预应力钢筋被锚固在台座或构件上以后，锚具、垫板与构件之间的缝隙被压紧，以及预应力钢筋在锚具中的滑动，造成预应力钢筋回缩而产生的预应力损失。产生范围：先张法构件、后张法构件。减小措施：（1）选择变形小或预应力筋滑动小的锚具、夹具，并尽量减少垫板的数量；（2）对于先张法张拉工艺，选择长的台座。台座长度超过100m时，可忽略不计。

2.预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失。产生原因：后张法构件在预留孔道中张拉钢筋时，因钢筋与孔道壁之间的接触引起摩擦阻力而产生的预应力损失。产生范围：后张法构件。减少措施：（1）采用两端张拉；（2）采用“超张拉”工艺。其工艺程序为：

停2min停2min01.1σcon0.85σconσcon。

3.混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失产生原因：当先张法构件进行蒸汽养护时，随着钢筋温度升高，其长度也增加（由于新浇混凝土尚未结硬，不能约束钢筋增长），而台座长度固定不变，因此张拉后的钢筋变松，预应力钢筋的应力降低。降温时混凝土和钢筋已粘结成整体，二者一起回缩，钢筋的应力不能恢复到原来的张拉应力值。产生范围：采用蒸汽养护的先张法构件。

减少措施：(1)蒸汽养护时采用两次升温养护，即第一次升温至20℃，恒温养护至混凝土强度达到7~10N/mm2时，再第二次升温至规定养护温度。(2)在钢模上张拉，将构件和钢模一起养护。此时，由于预应力钢筋和台座间不存在温差，故温差损失为0。

4.预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失产生原因：预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失实际上是钢筋的应力松驰和徐变引起的预应力损失的统称。产生范围：先张法构件、后张法构件。减小措施：(1)采用应力松驰损失较小的钢筋作预应力钢筋；(2)采用“超张拉”工艺。5.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失产生原因：由于混凝土的收缩和徐变使构件长度缩短，被张紧的钢筋回缩而产生的预应力损失。此项预应力损失是各项损失中最大的一项，在直线预应力配筋构件中约占总损失的50％，在曲线预应力配筋构件中约占30％左右。产生范围：先张法构件、后张法构件。

减少措施：(1)设计时尽量使混凝土压应力不要过高；(2)采用高强度等级水泥，以减少水泥用量，同时严格控制水灰比；(3)采用级配良好的骨料，增加骨料用量，同时加强振捣，提高混凝土密实性；(4)加强养护，使水泥水化作用充分，减少同的收缩。有条件时宜采用蒸汽养护。

6.环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失产生原因：由于构件环形配筋时，预应力钢筋将混凝土局部压陷，使构件直径减小而产生的预应力损失。产生范围：直径d≤3m的后张法构件中。

一、预应力钢筋预应力混凝土结构对钢筋的性能要求如下：1．高强度2．较好的黏结性能3．较好的塑性。二、混凝土预应力混凝土构件对混凝土的基本要求如下：1．高强度。2．收缩和徐变小。3．快硬和早强。三、孔道及灌浆材料第四节预应力混凝土结构的材料一、后张法构件

1.预应力混凝土构件中钢筋的布置形式①直线布置主要优点：施工简单适用范围：主要用于跨度和荷载较小的情况，既可用于先张法构件，又可用于后张法构件。

下一页第五节预应力混凝土构件的构造要求②曲线布置适用范围：多用于跨度和荷载较大的构件，如预应力混凝土梁就多采用这种布置形式。曲线布置一般用于后张法构件。

2、材料：混凝土：预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。钢筋：预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。3、混凝土保护层：

预应力结构构件中受力钢筋混凝土保护层厚度应符合《混凝土结构设计规范》GB50010的规定。4．预应力筋间距及预留孔道

后张法构件的预留孔道中要穿入预应力筋，孔道的布置应考虑张拉设备的布置、锚具尺寸及构件端部混凝土局部受压强度要求等因素。

1）对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于50mm，且不宜小于粗骨料粒径的1.25倍；孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半。

2）现浇混凝土梁中预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不宜小于1.5倍孔道外径，且不应小于粗骨料粒径的1.25倍；从孔道外壁至构件边缘的净间距，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm，裂缝控制等级为三级的梁，梁底、梁侧分别不宜小于60mm和50mm。

3）预留孔道的内径宜比预应力束外径及需穿过孔道的连接器外径大6mm~15mm，且孔道的截面积宜为穿入预应力束截面积的3.0~4.0倍。4）当有可靠经验并能保证混凝土浇筑质量时，预留孔道水平并列贴紧布置，但并排的数量不应超过2束。5）在现浇板中采用扁形锚固体系时，穿过每个预留孔道的预应力筋数量宜为3~5根；在常用荷载情况下，孔道水平方向的净间距不应超过8倍板厚及1.5m中的较大值。6）板中单根无粘结预应力筋的间距不宜大于板厚的6倍，且不宜大于1m，带状束的无粘结预应力筋根数不宜多余5根，带状束不宜大于板厚的12倍，且不宜大于2.4m。7）梁中集束布置的无粘结预应力筋，集束的水平净间距不宜小于50mm，束至构件边缘的净距不宜小于40mm。1．钢筋的净距先张法预应力筋之间的净间距不应小于其公称直径的2.5倍和混凝土粗骨料最大粒径的1.25倍，且应符合下列规定：预应力钢丝不应小于15mm；三股钢绞线不应小于20mm；七股钢绞线不应小于25mm。当混凝土振捣密实性具有可靠保证时，净间距可放宽为最大粗骨料粒径的1.0倍。2．端部加强措施为防止放松钢筋时外围混凝土产生劈裂裂缝，对预应力筋端部周围的混凝土应采取下列加强措施：1）单根配置的预应力筋，其端部宜设置螺旋筋。2）分散布置的多根预应力筋，在构件端部10d(d为预应力筋的外径)且不小于100mm长度范围内，宜设置3~5片与预应力筋垂直的钢筋网片。3）采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端100mm长度范围内宜适当加密横向钢筋。材料、混凝土保护层厚度、预应力钢筋的布置同后张法。二、先张法构件4）槽形板类构件，应在构件端部100mm长度范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于2根